轻型直流输电系统仿真研究-冼康富

专业课程设计报告题目：轻型直流输电系统仿真研究所在学院电气工程学院专业班级10级电气5班学生姓名冼康富学生学号201039488141指导教师杜芸强提交日期2013年10月25日华南理工大学广州学院电气工程学院专业课程设计报告电气工程学院专业课程设计评阅表学生姓名学生学号同组队员专业班级题目名称一、学生自我总结学生签名：年月日二、指导教师评定评分项目平时成绩报告（答辩）综合成绩权重5050单项成绩教师评语：教师签名：年月日华南理工大学广州学院电气工程学院专业课程设计报告3目录一、设计目的............................................................................................................................1二、设计要求和设计指标........................................................................................................1三、设计内容............................................................................................................................13.1传统HVDC输电原理及特点....................................................................................13.2轻型直流输电简介.....................................................................................................23.2.1电压源型换流器..............................................................................................23.2.2脉宽调制技术...................................................................................................33.3轻型直流输电的技术特点...........................................................................................43.4HVDCLight系统MATLAB仿真.............................................................................53.4.1控制器仿真模型的建立......................................................................................53.4.2向无源网络供电HVDCLight系统仿真.........................................................73.4.3背靠背HVDCLight系统仿真.........................................................................93.4.4仿真结果分析....................................................................................................11四、本设计改进和建议..........................................................................................................11五、总结（感想和心得等）..................................................................................................12六、主要参考文献..................................................................................................................13华南理工大学广州学院电气工程学院专业课程设计报告1一、设计目的传统的高压直流输电系统普遍采用晶闸管和移相换流器技术，多用于远距离、大功率输电。晶闸管是只具有控制接通、无自关断能力的半控型器件，开关频率较低，换相损耗大。移相换流器接线复杂，体积庞大，需要外部电网提供换相电压，增加辅助换相回路，当逆变角小于熄弧角时，易发生换相失败;此外，还存在换流电压谐波含量高、功率性能指标低等缺点。针对高压直流输电的不足，ABB公司研制开发了轻型直流输电（简称HVDCLight）系统。轻型直流输电技术采用绝缘栅极双极型晶体管和电压型换流器。绝缘栅极双极型晶体管是具有自关断能力的全控型器件，开关速度快，频率高，损耗小。电压型换流器采用脉宽调制（简称PWM）控制方式，无需任何换相电压，可以向各种有源或无源网络输电。二、设计要求和设计指标轻型直流输电控制和运行方式简单，输出电压波形好，功率因数高，在小功率传输时有较好的经济性，可用来连接远方小发电厂，或向远方小型负荷区供电、向海岛送电以及向城市负荷中心供电，具有广阔的应用范围和良好的发展前景。轻型HVDC除具有常规HVDC的优点外，还可直接向小型孤立的远距离负荷供电，更经济地向市中心送电，方便地连接分散电源，运行控制方式灵活多变，可减少输电线路电压降落和电压闪变，从而进一步提高电能质量。本文对比了传统高压直流输电和轻型直流输电技术的不同，介绍轻型直流输电的运行机理，简述了其优越性，并利用MATLAB对轻型直流输电系统进行建模仿真分析。三、设计内容3.1传统HVDC输电原理及特点传统HVDC输电的核心是相控换流器（PCC）技术，其原理是：以交流母线线电压过零点为基准，一定时延后触发导通相应阀，通过同一半桥上两个同时导通的阀与交流系统形成短时的两相短路，当短路电流使先导通阀上流过的电流小于阀的维持电流时，阀关断，直流电流经新导通阀继续流通。通过顺序发出的触发脉冲，形成一定顺序的阀的通与断，从而实现交流电与直流电的相互转换。华南理工大学广州学院电气工程学院专业课程设计报告23.2轻型直流输电简介轻型直流输电技术是一种基于可关断电力电子器件电压源换流器（VSC）和脉宽调制技术的直流输电技术。传统的高压直流输电技术（HVDC）使用基于晶闸管开关的电网换相电流源换流器，由于缺乏商用的自换相开关（如GTO、IGBT等），直到20世纪90年代末随着大功率GTO开关和大功率IGBT开关的商业化应用，轻型直流输电技术才逐渐发展起来。轻型HVDC是在IGBT和VSC基础上发展起来的，其基本原理如图3-1所示。设送端和受端换流器均采用VSC，则两个换流器具有相同的结构。换流器由换流桥、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器组成。换流桥每个桥臂均由多个IGBT串联而成。换流电抗器是VSC与交流侧能量交换的纽带，同时也起到滤波的作用。直流电容器的作用是为逆变器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波。交流滤波器的作用是滤除交流侧谐波。另外，轻型HVDC的传输线路一般采用地下电缆，对周围环境没有什么影响。图3-1HVDCLight的基本原理3.2.1电压源型换流器轻型直流输电技术采用电压源型换流器（VSC），换流器的桥臂由大功率可关断型器件和反并联的二极管组成，如图3-2所示。其工作原理是：工频正弦波控制信号经与三角波载波信号utri比较产生触发信号ui，见图3-3。华南理工大学广州学院电气工程学院专业课程设计报告3图3-2由IGBT构成的VSC换流器图3-3VSC波形图当2+被触发导通后，输出电压uo=Ud/2；当2-被触发导通后，uo=-Ud/2，由于2+和2-不同时触发导通，所以uo只有Ud/2和-Ud/2两种数值。经换流电抗器和滤波器滤除uo中的高次谐波分量后，交流母线上可得到与uc波形相同的工频正弦波电压us。其中，utri决定开关的动作频率，uc决定输出电压uo的相位和幅值。改变uc的相位，即改变uo与us的相位关系，可改变有功功率的大小和方向；改变uc的幅值，即改变uo与us的数值关系，可改变无功功率的大小和极性（感性或容性）。因此，VSC换流器可单独调节有功功率和无功功率。换流器与网络间的有功功率流动是通过改变相角δ（即由换流器产生的基波频率电压Ug与交流电网上的电压Un间的夹角）来控制的。有功功率P的计算公式为:sin/gnPUUX式中Ug为换流器产生的基波频率电压，Un为交流网络上的电压，X为线路电抗，L为线路长度。无功功率流动是由Ug的放大倍数决定的，该放大倍数可由来自换流器阀桥的脉冲宽度来控制。无功功率Q的计算公式为:Q=Ug(Ug-Uncosδ)/X换流器的容量决定于流过它的最大电流和电压，换流器的无功容量可以与有功容量进行交换。3.2.2脉宽调制技术VSC使用具有高频开断功能的器件IGBT，这使得PWM的应用成为可能。PWM控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所要的波形。PWM通过在两固定的直流电压华南理工大学广州学院电气工程学院专业课程设计报告4间快速切换来产生交流电压，并通过交流低通滤波器从高频脉冲调制电压中得到期望的基波电压。使用PWM技术，可瞬时地改变交流输出电压的相位与幅值，从而实现有功与无功的独立调节。经PWM逆变的交流电压可随控制系统的变化而变化。这样就可省略传统HVDC中的换流变压器，使电路结构简化，缩小占地面积。轻型直流输电采用PWM控制技术，可以灵活地控制输入、输出电压以及电流的幅值和频率。按照一定的规则对各晶体管的触发脉冲进行调制，就可以改变电路输出电压的幅值和相角。3.3轻型直流输电的技术特点基于VSC技术的HVDC输电在技术和经济上均比基于PCC技术的HVDC输电有了很大改进，轻型直流输电的特点主要表现在以下几个方面：（1）VSC换流器为无源逆变，对受端系统没有要求，故可用于向小容量系统或不含旋转电机的系统供电。（2）VSC换流器产生的谐波大为减弱，对无功功率的需要也大大减少，因此只需在交流母线上安装一组高通滤波器即可满足谐波要求；无功补偿装置的容量也大为减少，可不装设换流变压器，同时可简化开关。（3）不会出现换相失败故障。即使对小容量系统或无源负荷供电，VSC换流器也不会发生换相失败故障，从而避免了受端系统出现持续几个周期的短时电源中断，提高了受端系统的电能质量。（4）模块化设计使轻型直流输电的设计、生产、安装和调试周期大为缩短，换流站的主要设备能够先期在工厂中组装完毕，并预先做完各种试验。最重的模块重约20t，可方便地用卡车直接运至安装现场。从而大大减轻了现场安装调试时间和劳动强度，而且可显著缩小换流站的占地面积。一个20MW、±30kV的轻型直流输电换流站占地面积不足250m2，交货时间不超过12个月。（5）可实现无人值班或少人值守。由于换流站主要设备大为简化，而且实现了模块化设计，因此正常维护工作量大大减少，有利于实现无人值班或少人值守换流站，提高生产效率。（6）控制器可根据交流系统的需要实现自动调节，所以两侧VSC换流器不需要通信联络，从而减少通信的投资及其运行维护费用。华南理工大学广州学院电气工程学院专业课程设计报告53.4HVD